Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie an Adsorbaten auf Metall- und Isolatoroberflächen

Abstract

In dieser Arbeit werden Untersuchungen an Adsorbaten mittels Tieftemperatur- Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie auf Metall- und Isolatoroberflächen präsentiert. Am System Cu/Cu(111) wurde erstmals eine oszillatorische, langreichweitige Wechselwirkung experimentell nachgewiesen, die durch ein Oberflächenzustandsband vermittelt wird. Einzelne Cu-Adatome haben eine kleine Diffusionsbarriere von (37 ± 5)meV und sind auf hcp-Gitterplätzen adsorbiert. In Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen oszilliert das Paarpotential zwischen zwei Adatomen mit der halben Fermiwellenlänge und die Einhüllende fällt wie 1/d² mit dem Abstand d ab. Die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Potentialminimum und -maximum beträgt etwa 1meV. Im Falle eines Potentialminimums/-maximums ist die lokale Zustandsdichte am Ferminiveau zwischen den Adatomen reduziert/erhöht. Die Diffusion von Adatomen in künstlich erzeugten Nanostrukturen kann auf einzelne eindimensionale Kanäle eingeschränkt werden. In einem Dimer können sich die Kupferatome bei 8K sowohl auf fcc- als auch auf hcp-Gitterplätzen aufhalten, während in längeren Ketten ausschließlich eine Adsorption auf fcc-Gitterplätzen beobachtet werden konnte. NaCl(100)/Cu(111) zeigt ein Interfacezustandsband mit einer gegenüber der reinen Cu(111)-Oberfläche zu höherer Energie verschobenen Dispersion. Es wird ein einfaches Modell aufgestellt, das ein grundlegendes Verständnis der beobachteten Dispersion schafft. Dieses Interfacezustandsband zeigt eine eindimensionale Bandaufspaltung, die sich in Rastertunnelmikroskopie-Bildern als stehende Wellen bemerkbar macht. Moiré-Muster, die durch das inkommensurable Wachstum zustande kommen, bewirken über eine Modulation des Potentials diese Bandaufspaltung. An Chlor-Fehlstellen findet man einen gebundenen Zustand. An NaCl-Inselkanten kann darüber hinaus Brechung von Elektronen im Grenzflächenzustandsband beobachtet werden. Einzelne Silber-, Kupfer- und Gold-Adatome auf NaCl(100) werden mit dem Rastertunnelmikroskop als Erhebungen abgebildet. Der für diese Adatome gefundene Adsorptionsplatz auf einem Chlor-Ion falsifiziert alle diesbezüglichen bisherigen theoretischen Untersuchungen. Gold hat eine Diffusionsbarriere von (147 ± 15)meV auf NaCl(100). Atomare Manipulation einzelner Gold-Adatome durch einen Spannungspuls kann diese gezielt in einen veränderten, stabilen Zustand versetzen. Der Adsorptionsplatz ändert sich dabei nicht. Die Adatome können durch einen weiteren, geeigneten Spannungspuls in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. Für den geplanten Aufbau eines kombinierten Tieftemperatur-Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopes wurde eine digitale Steuerung entwickelt.

In this thesis investigations of adsorbates on metal and insulator surfaces are presented using low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy. With the study of Cu/Cu(111) a long-ranged oscillatory interaction could be identified for the first time that is mediated by a surface state band. Single copper adatoms have a low diffusion barrier of (37 ± 5)meV and occupy only hcp adsorption sites. In agreement with theoretical predictions the pair potential oscillates with half the Fermi wavelength and the envelope falls off as 1/d with distance d. The difference between the first potential minimum and maximum is about 1meV. In the case of a potential minimum/maximum the local density of states at the Fermi level directly between the adatoms is reduced/increased. The diffusion of single adatoms in artificial nanostructures can be forced into discrete diffusion channels. The copper adatoms within a dimer can occupy either fcc or hcp adsorption sites at a temperature of 8K. In long chains of adatoms adsorption could be observed on fcc sites only. NaCl(100)/Cu(111) shows an interface state band. The dispersion is shifted towards higher energy compared to the surface state band of the clean Cu(111) surface. A simple model is proposed that gives a qualitative understanding of the observed features. The interface state band shows a one dimensional band gap that appears in the images as standing waves. Moiré patterns arise from the incommensurate growth. These patterns cause a modulation of the potential and thereby split up the interface state band. At chlorine vacancies a bound state can be found. At NaCl island edges the refraction of electrons in the interface state band can be observed. Single silver, copper and gold adatoms on NaCl(100) appear as protrusions in the scanning tunneling microscopy images. For these adatoms the adsorption site is found to be on top of the chlorine ions. This falsifies all previous theoretical studies in this regard. Gold adatoms have a diffusion barrier of (147 ± 15)meV on NaCl(100). Atomic manipulation can be performed applying a voltage puls that switches single gold adatoms into a different stable state. This manipulation does not change the adsorption site. The adatoms can be switched back to the primary state by an additional suitable voltage pulse. A digital control unit was designed, which will be used in a future combined low temperature scanning tunneling and atomic force microscope.